题目：基于轨迹优化的直升机飞行品质评估与总体设计方法研究

随着直升机技术的进步和应用领域的拓展，飞行品质已经成为直升机设计的主要指标之一。新的飞行品质规范以使用任务为本，提出了带宽以及相位滞后、姿态敏捷性和快捷性等评价指标，列出了23种任务科目基元作为试飞科目。对新飞行品质规范的解读与研究以及将其用于新机研制中已经成为当前研究的焦点。本文以建立低阶、高置信度直升机飞行动力学模型为出发点，围绕着直升机机动飞行轨迹优化、任务科目基元仿真和总体布局参数优化设计开展了深入研究，最后实现了在直升机总体设计阶段考虑飞行品质约束的影响。本文工作主要包括以下四个方面：

(1) 低阶、高置信度直升机飞行动力学建模

以单旋翼带尾桨式直升机为对象，基于部件级建模思想，建立了低阶、高置信度的飞行动力学模型。旋翼模块采用桨尖轨迹平面模型，考虑了刚性桨叶挥舞运动，基于桨叶准定常二维翼型理论和叶素理论推导了整个旋翼气动力与惯性力的解析表达式；旋翼入流模型采用了Pitt-Peters的一阶谐波有限状态动力入流模型；尾桨处理为小型旋翼，仅考虑其拉力和反扭矩贡献。采用风洞试验数据计算了机身和尾翼的气动力，同时考虑了旋翼下洗气流对机身/尾翼/尾桨的气动干扰。完成了配平与时域动态响应计算，通过与试飞数据对比验证了模型的有效性。

(2) 直升机机动飞行轨迹优化的数学建模

以直升机飞行动力学模型为基础，通过选择合适的目标函数、路径约束和边界约束，将直升机机动飞行的轨迹优化问题表示成非线性最优控制问题。考虑到直升机稳定性差的特点，提出了一种基于多重打靶法的求解策略。为了提高求解方法的鲁棒性，对优化变量进行了无量纲和缩放处理。对直升机避障机动飞行轨迹优化和发动机空中停车后的飞行轨迹优化进行了研究。

(3) 任务科目基元的飞行仿真研究

提出了基于轨迹优化策略的直升机任务科目基元仿真模型，以完成任务科目基元所需时间为目标函数，将飞行品质规范对直升机空间位置和姿态的限制转化为状态变量的路径约束，同时还考虑了直升机自身性能和安全性引入的边界约束。针对不同的任务科目基元设置了不同的约束形式，建立了直升机任务科目基元仿真库。对悬停转弯、出航/中断、横向移位和障碍滑雪等任务科目基元进行了仿真计算。

(4) 考虑飞行品质约束的总体优化设计模型

建立了直升机总体优化设计的数学模型，以直升机总体和气动布局参数为设计变量，同时考虑了飞行性能与飞行品质的约束。其中，飞行品质的约束是以直升机完成指定任务科目所需的最短时间为量化指标，通过求解相应的轨迹优化模型得到。采用该模型对某型直升机进行了参数优化设计，计算结果验证了在直升机总体设计阶段考虑任务科目基元影响的合理性。